Een eenvoudige ijzerkatalysator kan kostbaar ruthenium vervangen in een reactie die kan worden gebruikt om diverse bibliotheken van complexe organische verbindingen te genereren, drie onderzoekers van Keio University hebben aangetoond1. Deze bevinding belooft het goedkoper te maken om complexe organische moleculen te produceren, zoals organische elektronische materialen en therapeutische medicijnen.

Organische moleculen bestaan ​​voornamelijk uit koolstof- en waterstofatomen plus enkele andere 'heteroatomen', zoals stikstof, zuurstof of chloor. Chemici hebben van oudsher de reactiviteit van deze heteroatomen benut om complexe producten te bouwen van eenvoudige uitgangsmoleculen. Deze aanpak, echter, kan lange opeenvolgingen van reacties vereisen om de juiste set heteroatomen voor een bepaalde conversie te installeren, waardoor synthese duur en tijdrovend wordt.

Een efficiëntere manier om organische moleculen te maken, is door de koolstof-waterstofbindingen van een molecuul direct te manipuleren. Bekend als koolstof-waterstofbinding functionalisering, deze reactie omvat het verbreken van de binding tussen koolstof en waterstof en vervolgens de waterstof verwisselen met een ander element zoals koolstof, zuurstof of stikstof. Maar omdat organische moleculen typisch veel van dergelijke bindingen bevatten, het is moeilijk om selectief een reactie op gang te brengen bij alleen de gewenste koolstof-waterstofbinding.

Een manier om deze selectiviteit te bereiken is het gebruik van een katalysator, maar dit zijn vaak dure edele metalen zoals rhodium, palladium of ruthenium. Er is dus een sterke druk om deze edelmetaalkatalysatoren te vervangen door goedkopere katalysatoren gemaakt van goedkope, overvloedige metalen zoals ijzer.

Nutsvoorzieningen, Fumitoshi Kakiuchi en medewerkers Naoki Kimura en Takuya Kochi van de Keio University hebben aangetoond dat een eenvoudige ijzerverbinding de koolstof-waterstofalkylering van aromatische ketonen met alkenen katalyseert. De ijzerverbinding doet dit door zich te binden aan de ketongroep van de aromatische ring, die ervoor zorgt dat het binnenkomende alkeenmolecuul zich hecht aan het aangrenzende, 'ortho' positie van de aromatische ring. Het trio toonde aan dat een grote verscheidenheid aan alkenen voor deze reactie kan worden gebruikt.

Eerder onderzoek had gesuggereerd dat ijzer deze transformatie zou kunnen stimuleren, maar het ijzer werd verbruikt in het proces. "Deze precedent stoichiometrische reacties gaven ons hints om ijzer-gekatalyseerde ortho-selectieve koolstof-waterstof alkylering van aromatische ketonen met alkenen te ontwikkelen, " legt Kakiuchi uit.

De volgende grens van koolstof-waterstof-functionalisatiereacties is het ontwikkelen van 'regioselectieve' katalysatoren die selectief gericht zijn op een bepaalde koolstof-waterstofbinding zonder dat een sturende groep zoals een keton nodig is. "Regioselectieve koolstof-waterstof-functionalisatie van aromatische verbindingen zonder een sturende groep is nog steeds vrij moeilijk, " Kakiuchi merkt op. "We zijn van plan dit type regioselectieve koolstof-waterstof-functionalisatie te ontwikkelen met behulp van additieven of liganden."